Brennelement

Brennelement für den Reaktor der Savannah mit 4 × 41 Brennstäben

Ende eines Brennstabes mit Brennstoffpellets

Die Brennelemente sind wesentliche Bauteile eines Kernreaktors und bilden zusammen mit den sonstigen Einbauten den Reaktorkern. Sie enthalten den Kernbrennstoff.

Bei den meisten Leistungsreaktoren, also Anlagen zur Energiegewinnung, ist das einzelne Brennelement ein Bündel aus vielen dünnen Brennstäben, die vom Kühlmittel, in der Regel Wasser, umspült werden. Diese Anordnung ergibt eine genügend große Fläche für den Wärmeübergang. Die Stäbe enthalten den Kernbrennstoff, meist Uranoxid in Form zylindrischer Pellets. Andere Formen von Brennelementen gibt es jedoch bei Hochtemperaturreaktoren (siehe unten).

Auch bei Forschungsreaktoren mit ihrer relativ geringen Wärmeleistung sind verschiedene andere Brennelementformen möglich.

Brennelemente-Typen

Je nach Reaktortyp haben die Brennelemente unterschiedliche Formen und Zusammensetzungen:

Kopfbereich eines Brennelementes. Ausschnitt links: Uranoxid-Tabletten (Pellets) in den Brennstäben

Eine Brennelementengruppe aus 4 Brennelementen und einem Regelstab

Druckwasserreaktoren

Brennelemente für Druckwasserreaktoren bestehen aus einem Bündel einzelner Brennstäbe, zwischen denen außerdem Führungsrohre für die von oben eingeführten Steuerstäbe sind. Ein solches Brennelement kann beispielsweise aus 236 Brennstäben und 20 Steuerstabführungsrohren in 16×16-Anordnung bestehen. Die Steuerstäbe des Steuerelements werden durch eine Spinne zusammengehalten und sind über den Querschnitt des Brennelements verteilt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus der Zirconium-Legierung Zirkalloy-4. Die Anreicherung des Brennstoffs beträgt etwa 3–4 %.

Siedewasserreaktoren

Brennelemente für Siedewasserreaktoren bestehen ebenfalls aus einem Brennstabbündel, die Zahl der Brennstäbe pro Brennelement ist jedoch deutlich geringer (z. B. 63 Brennstäbe und ein sog. Wasserstab in 8x8-Anordnung). Bei neueren Brennelementen entfallen die Wasserstäbe. Ein das Brennelement umschließender Kasten aus Zirkalloy bildet den Kühlkanal. Die Kästen von jeweils mehreren Brennelementen bilden den Führungskanal für einen von unten kommenden Steuerstab mit kreuzförmigem Querschnitt. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen aus Zirkalloy-2. Die Anreicherung des Brennstoffs entspricht etwa der bei Druckwasserreaktoren.

Beispiele
1. In dem Kernkraftwerk Biblis (Druckwasserreaktor) befinden sich im einem Reaktor 193 Brennelemente, von denen jedes aus 236 Brennstäben besteht. Jedes Brennelement hat eine Länge von 4905 mm, einen Querschnitt von 230 mm mal 230 mm und ein Gewicht von 830 kg.^[1]
2. In dem Reaktor des Kernkraftwerkes Krümmel (Siedewasserreaktor) befinden sich 840 Brennelemente.^[1]

Hochtemperaturreaktoren

Die Brennelemente der inzwischen stillgelegten deutschen Kugelhaufenreaktoren in Jülich (AVR) und Hamm-Uentrop (THTR) bestanden aus Graphitkugeln von etwa 6 cm Durchmesser, in denen der Brennstoff in Form vieler kleiner Kügelchen (coated particles, siehe Pac-Kügelchen) aus Uran-Thorium-Oxid eingelassen war. Der Brennstoff war hoch angereichert. Das Uran ist in diesen Brennelementen der Spaltstoff (Anreicherung auf ca 97 %) und Thorium ist der Brutstoff, aus dem im Betrieb Uran-233 als weiterer Spaltstoff entsteht. Diese Brennelemente sind nicht waffenfähig, da sie nur zu ca. 10 % aus Uran und zu 90 % aus Thorium bestehen.

In anderen Hochtemperaturreaktoren (in England und USA) wurden prismatische, das heißt als kantige Stäbe geformte Brennelemente verwendet. Das Brennstoffmaterial enthielt meist kein Thorium, war jedoch ähnlich aus Graphit und coated particles aufgebaut.

Schwerwasserreaktoren

Der Aufbau der Brennelementbündel für Schwerwasserreaktoren, etwa vom kanadischen Typ CANDU, ist dem der Leichtwasserreaktor-Brennelemente ähnlich. Aus der Tatsache, dass sich die Brennelemente im Reaktor in zylindrischen Kühlkanälen befinden, ergibt sich der kreisförmige Querschnitt der Brennelementbündel mit konzentrischer Anordnung der Brennstäbe. Schwerwasserreaktoren können mit Uran natürlicher Isotopenzusammensetzung (keine Anreicherung erforderlich) betrieben werden.

Abgebrannte Brennelemente

Beim Betrieb aller Kernkraftwerkstypen fallen abgebrannte Brennelemente an. Es sind diejenigen Brennelemente, die ihren vorgesehenen Abbrand erreicht haben und deshalb ausgetauscht werden müssen.

Der Reaktorkern des Kernkraftwerkes Grafenrheinfeld z. B. enthält 193 Brennelemente mit einem gesamten Brennstoffgewicht von 103 t, welche zunächst 4 Gew.-% U-235 enthalten (Anreicherung).
Jährlich werden während der Revision 40 Brennelemente ausgetauscht:^[2] Sie werden zunächst im Abklingbecken des Kernreaktors gelagert, bis ihre Radioaktivität und Wärmeproduktion hinreichend abgeklungen sind, um sie weiter behandeln zu können.

In der Vergangenheit wurden abgebrannte Brennelemente häufig zur Wiederaufarbeitung ins Ausland gebracht. Dort werden die Abfallstoffe mit Hilfe chemischer Verfahren von den noch im Brennelement enthaltenen wiederverwendbaren Kernbrennstoffen Uran und Plutonium getrennt.
In Deutschland sind Transporte in Wiederaufarbeitungsanlagen per Gesetz seit dem 1. Juli 2005 nicht mehr zulässig.

Eine andere, seither ausschließlich zu verfolgende Entsorgungsmethode ist die direkte Endlagerung. Dabei werden die abgebrannten Brennelemente geeignet verpackt und ohne vorherige Wiederaufarbeitung in ein Endlager gebracht. Die Inbetriebnahme eines solchen Endlagers wird nach offiziellen Aussagen der deutschen Bundesregierung etwa für das Jahr 2030 angestrebt.

Häufig werden abgebrannte Brennelemente auch als „ausgediente“ oder „verbrauchte“ Brennelemente bezeichnet. Davon zu unterscheiden ist der Sammelbegriff „bestrahlte Brennelemente“. Dazu gehören neben den abgebrannten Brennelementen auch solche Brennelemente, die nur vorübergehend entladen wurden und wieder eingesetzt werden sollen, da sie ihren vorgesehenen Abbrand noch nicht erreicht haben.

Brennelementesteuer

Die deutsche Bundesregierung gab im Juni 2010 bekannt, dass sie (im Rahmen eines großen Sparpakets) eine Brennelementesteuer plant.^[3] Die neue Steuer soll jährlich 2,3 Milliarden Euro erbringen. Damit sollen die Betreiber von Atomkraftwerken in Deutschland (RWE, E.ON, EnBW und Vattenfall)

• zum einen an der Sanierung maroder Endlager beteiligt werden – und
• zum anderen will man einen Teil der bei einer Laufzeitverlängerung zu erwartenden Zusatzeinnahmen abschöpfen.

Die Steuer wäre (laut Finanzministerium) auch dann eingeführt worden, wenn eine AKW-Laufzeitverlängerung nicht genehmigt worden wäre. Fachleute stützten diese Sichtweise: eine Brennelementesteuer sei auch ohne Laufzeitverlängerung gerechtfertigt. Beispielsweise verweist das Öko-Institut auf die Zusatzgewinne, die die Kernkraftwerksbetreiber erzielen, weil sie nicht vom Emissionsrechtehandel (CO₂-Rechte) betroffen sind.^[3]

Das Kernbrennstoffsteuergesetz vom 8. Dezember 2010 ist am 1. Januar 2011 in Kraft getreten.

Siehe auch

• Kernbrennstoff
• MOX-Brennelement

Weblinks

 Wiktionary: Brennelement – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Dr. Oskar Höfling, PHYSIK, Band II, Teil 3, Quanten und Atome, 13. Auflage, Dümmlerbuch 4116 ; Seite 931
2. ↑ KKW Technische Daten
3. ↑ ^{a b} Atomsteuer schockiert Versorger. In: ZeitOnline, 9. Juni 2010